氢分压对有机废水发酵产氢过程的影响研究

发布时间：2020-04-05 14:14

【摘要】：利用有机废水发酵制氢可以在处理废水的同时产生清洁能源。目前,制氢过程中存在较多的抑制因素,导致发酵过程中氢气产率和氢气浓度不够理想,有机废水发酵制氢的工业推广和商业化应用仍存在较大障碍。氢分压是发酵制氢过程中的关键影响因素,较高的氢分压会对发酵产氢系统产生抑制,在工程应用和生产过程中氢分压过度积累会对发酵产氢系统造成较大负面影响。针对以上问题,本课题以乙醇型和丁酸型发酵制氢系统为研究对象,探究氢分压变化对不同发酵类型产氢过程的影响,对相关的影响因素进行探讨,并采用高通量测序分析技术对微生物群落结构进行解析,研究氢分压变化对不同发酵类型产氢微生物群落结构的影响。采用CSTR反应器进行连续流发酵产氢,分别控制反应器启动和运行条件,形成乙醇型、丁酸型发酵制氢系统,选取稳定运行CSTR反应器内的污泥,进行氢分压对不同发酵类型产氢过程影响的间歇实验。采用摇瓶实验对乙醇型和丁酸型发酵产氢体系进行研究,探讨负压抽吸补入N2、负压抽吸补入CO_2、负压抽吸三种条件下氢分压、CO_2和负压分别对两种发酵产氢体系的影响;采用修正的Gompertz模型对降低不同氢分压条件下的发酵制氢体系累计产氢量进行函数拟合,研究氢分压降低对乙醇型发酵产氢过程强化的根本原因;设置不同的降压梯度,研究抽吸频率对产氢强化作用的影响;对液相末端产物进行分析,研究氢分压降低对于VFAs的影响。论文取得的主要研究成果如下:对乙醇型发酵实验研究表明,氢分压降低30%时获得最大累积氢气产量3.63L/L,降低氢分压使产氢反应正向移动;每2h降低一次氢分压,每次降低10%为最佳抽吸频率,获得最大产氢量3.62 L/L;采用改进的Gompertz模型对不同氢分压的产氢体系累积产气量进行拟合,氢分压降低30%时,体系Pmax和R max分别为3.85 L/L和0.127L/(L·h);负压对乙醇型产氢有强化作用,顶部空间气体压强为0.4bar时,发酵产氢体系产氢量最多,达到3.21 L/L;向体系中充入40m L CO_2的时候降低到最小值,由对照组的2.63L/L降低到1.28L/L,CO_2主要影响发酵制氢体系中同型产乙酸作用、菌群竞争及降低体系p H值。对丁酸型发酵实验研究表明,降低氢分压和负压对丁酸型发酵产氢的影响较小,补入CO_2能对丁酸型发酵产生明显强化作用。向体系内充入40 m L的CO_2时,产氢量达到最大值2.56 L/L,比对照组提高39%。采用改进的Gompertz模型对补入不同CO_2的产氢体系累积产气量进行拟合,充入40m L CO_2时,体系Pmax和R max分别为2.70 L/L和0.081L/(L·h);高浓度的CO_2分压对丁酸型产氢细菌影响较小,但能抑制氢营养型的产乙酸菌和产乳酸菌,在促进氢气生成的同时减少HCB对氢气的消耗,从而提高了体系产氢效能。进一步对不同发酵类型产氢过程微生物群落结构进行分析,发现乙醇型发酵顶级群落为乙醇杆菌(Ethanoligenens)和Acetanaerobacterium,降低氢分压产乙醇杆菌丰度上升,而Acetanaerobacterium的丰度随氢分压降低而减小,产氢效能的提高主要是基于Ethanoligenens丰度的提高;丁酸型发酵顶级群落为Clostridium,结合产氢体系内生物量分析,结果表明产氢效率提高与群落丰度的增加相关。
【图文】：

酸发酵,葡萄糖

图 1-2 葡萄糖的酸发酵[30]（1）磷酸转移酶系统和 EMP 途径；（2）丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶；（3）氢化酶；（乙酰 CoA-乙酰基转移酶（硫解酶）；（5）L(+)-β-羟酰 CoA；（6）巴豆酸酶；（7）酰脱氢酶；（8）CoA 转移酶；（9）磷酸乙酰转移酶；（10）乙酸激酶（3）丙酸型发酵丙酸型发酵丙酸型发酵主要发酵末端产物为丙酸和乙酸，产生气体很丙酸型发酵主要在丙酸杆菌属(Propionibacterium)作用下进行，由于丙酸杆菌般不含氢化酶，因此不会产生 H2。氧发酵制氢技术的核心是厌氧产氢微生物。厌氧产氢微生物中，专性厌要包括梭状芽孢杆菌属（Clostridium）、甲基营养菌（Methylotrophs）、产甲（Methanogenic bacteria）、瘤胃细菌（Rumen bacteria）以及些古细菌（Arch等，这类细菌不含细胞色素体系，通过产生丙酮酸或丙酮酸的代谢途径来产兼性厌氧菌，包括大肠杆菌（Escherichiacoli）和肠道细菌（Enterobacter）等类细菌含有细胞色素体系，通过自身分解甲酸的代谢途径产氢[29]。目前，大发酵产氢研究以 Clostridium 和 Enterobacter 为主要研究菌群[30]，这些菌群主谢产物为乙酸和酸。不同菌群利用同种底物产氢效能也有差异，严格厌氧

发酵气,集气室,出气口,反应器

-15-样口；2 排泥口；3 进水口；4 气相取样口/出气口；5a 反应区；b 回流缝；c 沉淀区；d 集气室；e 集水图 2-1 CSTR 装置示意图机玻璃材质，反应器容积为 30 L，，而其中反应区—液—固的三相分离装置，有效分离污泥、有机区为体化结构。反应器内部设有搅拌桨，搅拌并且提升混合液至导流区，污泥由回流缝沉入反释放发酵气体气泡后并下沉，然后沉降回到反应流出。发酵气体在集气室收集并由出气口导出，置和采样口，计量气体产量并采样测量气体成分，先对反应器进行清洗和清水试验，然后向反应然后用高纯氮气吹脱 15 min 排除反应器内氧气蠕动泵将进水泵入。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703

【参考文献】